JP5242994B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体(固体酸化物)を備えた固体酸化物形燃料電池セルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックと、その固体酸化物形燃料電池スタックから出力を取り出す出力用導電部材とを備えた固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cells each including a solid electrolyte body (solid oxide) having a fuel electrode and an air electrode are stacked, and the solid oxide fuel cell stack The present invention relates to a solid oxide fuel cell including an output conductive member that extracts an output from the fuel cell.
従来より、燃料電池として、高温で使用される固体電解質(固体酸化物)を備えた固体酸化物形燃料電池(以下SOFCとも記す)が知られている。
このSOFCでは、発電単位として、例えば層状の固体電解質体の一方の側に燃料ガスと接する燃料極を設けるとともに、他方の側に空気と接する空気極を設けた発電セルが使用されており、特に性能を高めるために、前記セルを複数積層(スタック)したSOFCが開発されている。
Conventionally, a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) including a solid electrolyte (solid oxide) used at a high temperature is known as a fuel cell.
In this SOFC, as a power generation unit, for example, a power generation cell in which a fuel electrode in contact with fuel gas is provided on one side of a layered solid electrolyte body and an air electrode in contact with air is provided on the other side is used. In order to improve performance, SOFCs in which a plurality of the cells are stacked have been developed.
このうち、SOFCのスタック構造としては、下記特許文献1に記載があるように、保持板(エンドプレート)にてスタック全体を締め付けるものが知られている。これは、エンドプレートでスタック全体を締め付けることにより、各セル間のシール部への加圧と各セルにおける電極への集電体の接触を同時に行うものである。 Among these, as described in Patent Document 1 below, a stack structure of SOFC is known in which the entire stack is fastened by a holding plate (end plate). In this method, the entire stack is tightened with an end plate, so that the pressure applied to the seal portion between the cells and the contact of the current collector with the electrode in each cell are simultaneously performed.
また、スタック全体に発生する電気出力については、一般にエンドプレートから取り出されており、しかも、スタック全体を締め付ける部材としてボルト等の固定部材を用いることができるので、このエンドプレートを押圧する固定部材を、スタックからの出力取出用の部材とし、この出力取出用の部材に導線(リード線)を接続することが検討されている。
上述したSOFCは、高温で運転されるため、その出力取出用の導線も非常に高温となる。ところが、固定部材と導線の接続部分が高温となると、材質によっては導線が酸化したり、固定部材と導線の熱膨張差によって接続部分における接触抵抗が大きくなり、その結果、出力が低下するという問題があった。 Since the above-described SOFC is operated at a high temperature, the output lead-out conductor is also very hot. However, when the connecting portion between the fixing member and the conducting wire becomes high temperature, depending on the material, the conducting wire is oxidized, or the contact resistance at the connecting portion increases due to the thermal expansion difference between the fixing member and the conducting wire, resulting in a decrease in output. was there.
この対策として、例えばエンドプレートと導線とを一体にすることが考えられるが、その場合には、部品サイズが大きくなり、取り扱いの面で問題がある。また、スタックの端子部に導線を溶接することが考えられるが、溶接の際にはスタックが局部的に高温になり、端子部が変形する等の問題があるので、好ましくない。 As a countermeasure, for example, it is conceivable to integrate the end plate and the conductive wire. However, in that case, the component size becomes large, which causes a problem in handling. In addition, it is conceivable to weld a conductive wire to the terminal portion of the stack, but this is not preferable because there is a problem that the stack locally becomes hot and the terminal portion is deformed.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、好適にスタックと出力取出用の部材との接触抵抗を低減できる固体酸化物形燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can suitably reduce the contact resistance between a stack and an output extraction member. .
(1)請求項1の発明は、固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガスに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極と、を有する固体酸化物形燃料電池セルを、複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックを備えるとともに、前記固体酸化物形燃料電池スタックに、その出力端子であるスタック側出力端子部を備えた固体酸化物形燃料電池において、前記スタック側出力端子部に、前記固体酸化物形燃料電池スタックから外部に出力を取り出す出力用導電部材が接続されるとともに、前記スタック側出力端子部と前記出力用導電部材との接続部分には、銀又は銀を含む合金からなる導電性中間材が介在し、且つ、前記導電性中間材は、銀又は銀を含む合金からなる箔であるとともに、前記銀を含む合金が、パラジウム、銅、チタンのうち少なくとも1種を含むものであり、更に、前記スタック側出力端子部と前記出力用導電部材とが、前記導電性中間材を介して、ねじの螺合により結合された構成を有し、前記スタック側出力端子部の接続部分が雌ねじで、前記出力用導電部材の接続部分が雄ねじであるとともに、前記雄ねじと前記雌ねじとの両表面に密着するように、前記導電性中間材が配置されたことを特徴とする。 (1) The invention of claim 1 is a solid electrolyte body, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte body and in contact with the fuel gas, and an air provided on the other surface of the solid electrolyte body and in contact with the oxidant gas. A solid oxide fuel cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cells having a plurality of electrodes are stacked, and the solid oxide fuel cell stack includes a stack-side output terminal portion that is an output terminal thereof. In the solid oxide fuel cell, an output conductive member for extracting an output from the solid oxide fuel cell stack to the outside is connected to the stack side output terminal portion, and the stack side output terminal portion and the output the connecting portion between Yoshirubeden member, conductive intermediate material made of silver or an alloy containing silver is interposed, and the conductive intermediate material, with a foil made of silver or an alloy containing silver, before The alloy containing silver contains at least one of palladium, copper, and titanium, and further, the stack side output terminal portion and the output conductive member are screwed via the conductive intermediate material. The connection portion of the stack side output terminal portion is a female screw, the connection portion of the output conductive member is a male screw, and is in close contact with both surfaces of the male screw and the female screw. As described above, the conductive intermediate material is arranged .
本発明では、スタック側出力端子部と出力用導電部材との接続部分には、主として銀又は銀を含む合金からなる導電性中間材が介在しているので、電気の接触抵抗を小さくすることができる。これにより、従来の技術の問題点(例えばエンドプレートを導電と一体化した場合の部品の大型化、導線を溶接する場合のスタックの劣化等)を解決できるとともに、燃料電池の出力の低下を抑制できるという顕著な効果を奏する。
また、本発明では、導電性中間材は、銀又は銀を含む合金からなる箔であり、本発明者らの実験によれば、導電性中間材として箔を用いたものが、作業が容易で、しかも接触抵抗が小さく好適である。
更に、本発明では、銀を含む合金が、パラジウム、銅、チタンのうち少なくとも1種を含んでいる。
しかも、本発明では、スタック側出力端子部と出力用導電部材とが、導電性中間材を介して、ねじの螺合により結合されているので、燃料電池の構成及び製造方法を簡易化することができる。
その上、本発明では、スタック側出力端子部の接続部分が雌ねじで、出力用導電部材の接続部分が雄ねじであるので、スタック側の構成を簡易化でき、また、接続作業も容易である。
更に、本発明では、雄ねじと雌ねじとの両表面に密着するように、導電性中間材が配置されている。例えばリード部を溶接した場合の熱による悪影響を生じることなく、コンパクトな構成で、大きな出力を取り出すことができる。
In the present invention, since the conductive intermediate material mainly composed of silver or an alloy containing silver is interposed in the connection portion between the stack side output terminal portion and the output conductive member, the electrical contact resistance can be reduced. it can. This solves the problems of conventional technologies (for example, enlargement of parts when the end plate is integrated with the conductive material, deterioration of the stack when welding the conductive wires, etc.) and suppresses a decrease in the output of the fuel cell. There is a remarkable effect of being able to.
Further, in the present invention, the conductive intermediate material is a foil made of silver or an alloy containing silver, and according to the experiments by the present inventors, the work using the foil as the conductive intermediate material is easy. In addition, the contact resistance is small and suitable.
Furthermore, in this invention, the alloy containing silver contains at least 1 sort (s) among palladium, copper, and titanium.
In addition, according to the present invention, the stack side output terminal portion and the output conductive member are coupled by screwing through the conductive intermediate material, thereby simplifying the configuration and manufacturing method of the fuel cell. Can do.
In addition, in the present invention, since the connection portion of the stack side output terminal portion is a female screw and the connection portion of the output conductive member is a male screw, the configuration on the stack side can be simplified, and the connection work is easy.
Furthermore, in this invention, the electroconductive intermediate material is arrange | positioned so that it may contact | adhere to both surfaces of a male screw and a female screw. For example, a large output can be taken out with a compact configuration without causing adverse effects due to heat when the lead portions are welded.
ここで、スタック側出力端子部と出力用導電部材とが接続するとは、導電性を有する両部材が、導電性中間材を介して、雄ねじと雌ねじとの螺合によって機械的に接続することにより、電気的にも接続されることを意味している。 Here, a stack-side output terminal portion and the output conductive member and is connected, both members having conductivity, through a conductive intermediate member, Ru mechanically connected to the screwing between the male screw and the female screw This means that it is electrically connected.
また、銀を含む合金としては、銀を主成分とする合金(銀50質量%以上)が好ましく、銀の含有率が高いものほど、電気の接触抵抗が小さくなるので好適である。なお、銀を含む合金としては、例えばAg−Pd、Ag−Al、Ag−Cu、Ag−Niが挙げられる。 Moreover, as an alloy containing silver, the alloy (silver 50 mass% or more) which has silver as a main component is preferable, and since the electrical contact resistance becomes small, the higher the silver content rate, it is suitable. Examples of the alloy containing silver include Ag—Pd, Ag—Al, Ag—Cu, and Ag—Ni.
(2)請求項2の発明では、前記出力用導電部材が、ニッケルを主体とする材料からなることを特徴とする。
本発明では、出力用導電部材がニッケルを主体とする材料からなるので、耐熱性及び導電性に優れている。
( 2 ) The invention of claim 2 is characterized in that the output conductive member is made of a material mainly composed of nickel.
In the present invention, since the output conductive member is made of a material mainly composed of nickel, it is excellent in heat resistance and conductivity.
ここで、ニッケルを主体とするとは、ニッケルの含有量が50質量%以上であることを示している。
・ここで、前記固体電解質体(固体酸化物体)は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
Here, having nickel as a main component indicates that the nickel content is 50% by mass or more.
Here, the solid electrolyte body (solid oxide body) moves, as ions, one part of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the oxidant gas introduced into the air electrode during the operation of the battery. Have ionic conductivity. Examples of the ions include oxygen ions and hydrogen ions. Further, the fuel electrode comes into contact with the fuel gas that becomes the reducing agent and functions as a negative electrode in the cell. The air electrode is in contact with an oxidant gas serving as an oxidant and functions as a positive electrode in the cell.
・固体電解質体(固体酸化物体)の材料としては、例えばZrO2系セラミック、LaGaO3系セラミック、BaCeO3系セラミック、SrCeO3系セラミック、SrZrO3系セラミック、及びCaZrO3系セラミック等が挙げられる。 Examples of the material of the solid electrolyte body (solid oxide body) include ZrO 2 ceramics, LaGaO 3 ceramics, BaCeO 3 ceramics, SrCeO 3 ceramics, SrZrO 3 ceramics, and CaZrO 3 ceramics.
・燃料極の材料としては、例えば、Ni及びFe等の金属と、Sc、Y等の希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO2系セラミック、CeO2系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも1種との混合物などが挙げられる。また、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni及びFe等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び/又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも1種との混合物(サーメットを含む)が挙げられる。また、Ni及びFe等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも1種との混合物などが挙げられる。 As the material of the fuel electrode, for example, ZrO 2 ceramics such as zirconia stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Sc and Y, CeO 2 ceramics, etc. The mixture with at least 1 sort (s) of ceramics etc. are mentioned. Moreover, metals, such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe, are mentioned. These metals may be used alone or in an alloy of two or more metals. Further, a mixture (including cermet) of these metals and / or alloys and at least one of each of the above ceramics may be mentioned. Moreover, the mixture of metal oxides, such as Ni and Fe, and at least 1 type of each of the said ceramic etc. are mentioned.
・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru及びRh等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn及びFe等の酸化物(La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2及びFeO等)が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともLa、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe及びMn等を含有する複酸化物(La1-xSrxCoO3系複酸化物、La1-xSrxFeO3系複酸化物、La1-xSrxCo1-yFeyO3系複酸化物、La1-xSrxMnO3系複酸化物、Pr1-xBaxCoO3系複酸化物及びSm1-xSrxCoO3系複酸化物等)が挙げられる。 As the material for the air electrode, for example, various metals, metal oxides, metal double oxides, and the like can be used. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and Rh, or alloys containing two or more metals. Furthermore, examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn and Fe (La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 and FeO). It is done. As the double oxide, a double oxide containing at least La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (La 1-x Sr x CoO 3 -based double oxide, La 1-x Sr x FeO 3 -based double oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -based double oxide, La 1-x Sr x MnO 3 -based double oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 -based double oxide Oxide and Sm 1-x Sr x CoO 3 -based double oxide).
・固体酸化物形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
燃料ガスとしては、水素、炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
-When generating power using a solid oxide fuel cell, a fuel gas is introduced to the fuel electrode side and an oxidant gas is introduced to the air electrode side.
Examples of the fuel gas include hydrogen, hydrocarbons, a mixed gas of hydrogen and hydrocarbons, a fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidified, and a fuel gas obtained by mixing these gases with water vapor. It is done. The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. The fuel gas is preferably hydrogen. These fuel gas may use only 1 type and can also use 2 or more types together. Moreover, you may contain inert gas, such as nitrogen and argon of 50 volume% or less.
酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気(約80体積%の窒素が含まれている。)が好ましい。 Examples of the oxidizing gas include a mixed gas of oxygen and another gas. Further, the mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Of these oxidant gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferred because it is safe and inexpensive.
次に、本発明の最良の形態の例について、すなわち、固体酸化物形燃料電池の実施例について説明する。なお、実施例2、3は、参考例である。 Next, an example of the best mode of the present invention, that is, an example of a solid oxide fuel cell will be described. Examples 2 and 3 are reference examples.
a)まず、固体酸化物形燃料電池モジュール(以下単に燃料電池と記す)の構成について説明する。
図1及び図2に示す様に、本実施例の燃料電池1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電を行う装置であり、発電単位である板状の固体酸化物形燃料電池セル(以下単に燃料電池セルと記す)3が複数個(例えば15個)積層された固体酸化物形燃料電池スタック(以下単に燃料電池スタックと記す)5を備えている。
a) First, the configuration of a solid oxide fuel cell module (hereinafter simply referred to as a fuel cell) will be described.
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 1 according to the present embodiment generates power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air (specifically, oxygen in the air)). A solid oxide fuel cell stack (hereinafter simply referred to as fuel) in which a plurality (for example, 15) of plate-like solid oxide fuel cells (hereinafter simply referred to as fuel cells) 3 as a power generation unit are stacked. 5) (referred to as a battery stack).
この燃料電池スタック5の積層方向の両側には、複数の燃料電池セル3を押圧するとともに燃料電池スタック5の出力端子として用いられるスタック側出力端子部(保持板:エンドプレート)7、9が配置されており、燃料電池スタック5は、そのエンドプレート7、9を介して、燃料電池スタック5を積層方向に貫く第1〜8第固定部材11〜25により、締め付けられて固定され、一体化されている。
Stack side output terminal portions (holding plates: end plates) 7 and 9 that press the plurality of
また、図3(a)にセルの燃料ガス側流路を図3(b)に空気側流路を分解して示す様に、前記燃料電池セル3は、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路27側には、燃料極(アノード:負極)29が配置されるとともに、燃料極29の上側の表面には薄膜の固体電解質体31が形成され、その固体電解質体31の空気流路33側の表面には、空気極(カソード:正極)35が形成されている。尚、ここでは、燃料極29と固体電解質体31と空気極35とをセル本体37と称する。
Further, as shown in FIG. 3A, the fuel gas side channel of the cell and the air side channel shown in FIG. 3B, the
前記燃料電池セル3の厚み方向(図3の上下方向)の両側には、導電性を有する金属製のコネクタプレート39が配置され、このコネクタプレート39により、各燃料電池セル3が区分(ガス流路を分離)されるとともに、板厚方向の導通が確保されている。
Conductive
ここで、隣り合う燃料電池セル3の間に挟まれるコネクタプレート69がインターコネクタであり、燃料電池スタック5の上下両端のコネクタプレート39が、前記エンドプレート7、9である。なお、本実施例では、上端の第1エンドプレート7が正極となり、下端の第2エンドプレート9が負極となる。
Here, the
また、空気極35と上方のコネクタプレート39との間には、その導通を確保するために、集電体41が配置されている。
更に、燃料電池セル3は、前記セル本体37や集電体41の周囲を囲む様に、空気流路33側の金属製の空気極フレーム43と、セラミックス製の絶縁フレーム45と、セル本体37を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製のセパレータ47と、燃料ガス流路27側の金属製の燃料極フレーム49とを備えている。
Further, a
Further, the
尚、空気極フレーム43と絶縁フレーム45とセパレータ47と燃料極フレーム49とコネクタプレート(その外周縁部)39とにより、第1〜第8固定部材11〜25が貫く燃料電池セル3の枠部51が構成されている。
The frame portion of the
また、前記図1に示す様に、第1〜第8固定部材11〜25は、燃料電池スタック5の枠部51にあけられた貫通孔53〜67を貫く様に配置されて、燃料電池スタック5を積層方向に押圧して一体に固定する部材であり、それぞれ、(貫通孔53〜67を貫く)ボルト11a〜25a及びそれに螺合するナット11b〜25b等から構成されている。
Further, as shown in FIG. 1, the first to
このうち、第2、第4、第6、第8固定部材13、17、21、25の各ボルト13a、17a、21a、25aは、内部にガスの流路を有する中空ボルトであり、第6固定部材21のボルト21aは、燃料ガスを供給する流路として用いられ、第2固定部材13のボルト13aは、燃料ガスを排出する流路として用いられている。また、第8固定部材25のボルト25aは、空気を供給する流路として用いられ、第4固定部材17のボルト17aは、空気を排出する流路として用いられている。なお、第1、第3、第5、第7固定部材11、15、19、23は、中実のボルトであり、燃料電池スタック5を固定するために用いられている。
Among these, the
図4にスタックの断面(図1のA−A断面)を示す様に、例えば第5固定部材19のボルト19aは、燃料電池スタック5の貫通孔61に貫挿されており、その下側は下側用のナット19cにより固定され、その上側は上側用のナット19bにより固定されている。
4, for example, the
また、上側用及び下側用のナット19b、19cとエンドプレート7、9との間には、第5固定部材19とエンドプレート7、9とが短絡しない様に、例えばマイカセラミックからなる板状の絶縁体69、71が配置されている。
Further, between the upper and
更に、貫通孔61の上下の両端には、例えばマイカセラミックからなる円筒状の絶縁性スペーサ73、75が内嵌され、この絶縁性スペーサ73、75の貫通孔74、76に、ボルト19aが貫挿されている。つまり、ボルト19aが貫通孔61の内周面に接触しないように、貫通孔61内に絶縁性スペーサ73、75が配置されている。
Further, cylindrical insulating
なお、絶縁性スペーサ73、75を用いて、第5固定部材19を燃料電池スタック5と絶縁性を保って組み付ける構成は、他の固定部材でも同様であるので、その説明は省略する。
Note that the configuration in which the fifth fixing
そして、本実施例では、前記両エンドプレート7、9は、耐熱性及び導電性に優れた例えばステンレス製の板材であり、各エンドプレート7、9には、それぞれ、電力をスタック外に取り出すリード部として、耐熱性及び導電性に優れた例えばニッケルからなる棒状の出力用導電部材77、79が接続固定されている。
In this embodiment, the
つまり、図5に要部を拡大して示す様に、例えば上部のエンドプレート(第1エンドプレート)7の側面には、雌ねじのねじ孔81が形成され、一方、第1エンドプレート7に接続される出力用導電部材(第1出力用導電部材)77の外周には、雄ねじのねじ部83が形成されており、この雄ねじと雌ねじの螺合により、第1エンドプレート7と第1出力用導電部材77とが接続されている。
That is, as shown in an enlarged view in FIG. 5, for example, a
特に本実施例では、ねじ孔81の内部に、銀(又は銀を主成分とする銀合金)からなる高い導電性を有する薄膜の導電性中間材85が配置されている。具体的には、ねじ孔81の側壁部分である雄ねじと雌ねじの間において、雄ねじと雌ねじの両表面に密着するように銀箔からなる導電性中間材85が配置されている。
In particular, in this embodiment, a thin conductive
また、上述の様に、第1出力用導電部材77の外周全体にねじ部83が形成されているので、第1出力用導電部材77の先端部87がねじ孔81の底部89に当接するまで、ねじ込むことができる。
Further, as described above, since the
なお、下部のエンドプレート(第2エンドプレート)9と出力用導電部材(第2出力用導電部材)79との接続部分も同様な構成である。
b)次に、燃料電池1のガス流路について説明する。
The connecting portion between the lower end plate (second end plate) 9 and the output conductive member (second output conductive member) 79 has the same configuration.
b) Next, the gas flow path of the fuel cell 1 will be described.
(1)燃料の流路
図6(a)(図1のY−Y断面図)に示す様に、燃料電池1の第6固定部材21の上方の燃料入口91から供給された燃料ガスは、ボルト21aの中空部93や横穴95を介して、各セル3内の燃料ガス流路27に供給される。
(1) Fuel flow path As shown in FIG. 6A (cross-sectional view along YY in FIG. 1), the fuel gas supplied from the
次に、各セル3内の燃料ガス流路27の燃料ガスは、燃料極29に沿って流れた後、同様な横穴97及び第2固定部材13のボルト13aの中空部99を介して、燃料出口101から燃料電池1外に排出される。
Next, after the fuel gas in the fuel
(2)空気の流路
図6(b)(図1のX−X断面図)に示す様に、燃料電池1の第8固定部材25の上方の空気入口103から供給された空気は、ボルト25aの中空部105や横穴107を介して、各セル3内の空気流路33に供給される。
(2) Air flow path As shown in FIG. 6B (XX cross-sectional view in FIG. 1), the air supplied from the
次に、各セル3内の空気流路33の空気は、空気極35に沿って流れた後、同様な横穴109及び第4固定部材17のボルト17aの中空部111を介して、空気出口113から燃料電池1外に排出される。
Next, after the air in the
c)次に、燃料電池1の製造方法について、簡単に説明する。
まず、(燃料電池スタック5を構成する部材として)例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、(エンドプレート7、9を除く)コネクタプレート39、空気極フレーム43、セパレータ47、燃料極フレーム49を製造した。
c) Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 will be briefly described.
First, a plate material made of, for example, SUS430 (as a member constituting the fuel cell stack 5) was punched out (excluding the
前記コネクタプレート39のうち、エンドプレート7、9は、肉厚であるので、板材を切削する機械加工により形成した。そして、各エンドプレート7、9の側面に、それぞれねじ孔81を形成した。
Of the
また、定法により、MgOとスピネルの混合物を主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム45を製造した。
燃料電池セル3のセル本体37を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極29のグリーンシート上に、固体電解質体31の材料を印刷し、その上に空気極35の材料を印刷し、その後焼成した。尚、セル本体37は、セパレータ47にロウ付けして固定した。
In addition, an insulating
The
次に、コネクタプレート39、空気極フレーム43、絶縁フレーム45、(セル本体37をロウ付けした)セパレータ47、燃料極フレーム49、集電体41などを一体にして、各燃料電池セル3を組み付けるとともに、各燃料電池セル3を積層して燃料電池スタック5を形成した。なお、コネクタプレート39のうち、肉厚のエンドプレート7、9は、積層体の積層方向の両側に配置した。
Next, the
次に、燃料電池スタック5の貫通孔53〜67に、絶縁性スペーサ73、75及び絶縁体69、71を介して、ボルト11a〜25aを嵌め込むとともに、その両端にナット11b〜25b、19cを螺合させた。なお、絶縁性スペーサ73、75は貫通孔53〜67内に嵌め込むとともに、絶縁体69、71はスタック表面に配置した。
Next, the
その後、このナット11b〜25b、19cを締め付けて、燃料電池スタック5を押圧して一体化して固定した。
次に、別途製造したねじ部材であるニッケル製の出力用導電部材77、79を用い、その先端のねじ部83の外周に、導電性中間材85として銀箔を巻き付けた。そして、その状態で、ねじ部83を各エンドプレート9、8のねじ孔81にねじ込んで固定し、燃料電池1を完成した。
Thereafter, the nuts 11b to 25b and 19c were tightened, and the
Next, using nickel-made output
c)この様に、本実施例の燃料電池1では、出力用導電部材77、79の雄ねじとエンドプレート7、9の雌ねじの両表面に密着するように、銀からなる高い導電性を有する薄膜の導電性中間材85が介在しているので、電気的な接触抵抗を大きく低減することができる。よって、リード部を溶接した場合の熱による悪影響等の問題を生じることなく、コンパクトな構成で、大きな出力を取り出すことができるという顕著な効果を奏する。
c) Thus, in the fuel cell 1 of the present embodiment, a thin film having high conductivity made of silver so as to be in close contact with both surfaces of the external threads of the output
また、各固体部材11〜25のボルト11a〜25aは、絶縁性スペーサ73、75により各貫通孔53〜67の内周面と所定間隔を開けて保持されているので、固体部材11〜25と燃料電池スタック5との短絡を防止できる。
Further, since the
なお、導電性中間材85としては、銀箔に代えて銀合金の箔等を利用できる。また、銀等のペーストを、出力用導電部材77、79のねじ部83の外周に塗布してから乾燥させた後に、ねじ部83をねじ孔81にねじ込むようにしてもよい。この場合は、運転時の高温等により、乾燥した銀材料は、銀又は銀合金からなる導電性中間材となる。
As the conductive
次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、ナット等の固定部材を出力用導電部材として用いるものである。
図7に要部を示す様に、本実施例の燃料電池121では、第1、第2固定部材123、125等(他の固定部材等は図示略)によって、燃料電池スタック129が一体に固定されている。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In this embodiment, a fixing member such as a nut is used as the output conductive member.
As shown in FIG. 7, in the
詳しくは、第1、第2固定部材123、125は、それぞれボルト131、133とナット135、137、139、141からなり、各ボルト131、133は、燃料電池スタック129の積層方向に明けられた貫通孔143、145に貫挿され、各ボルト131、133の両側にナット135〜141が螺合して、燃料電池スタック129が締め付けられている。
Specifically, the first and second fixing
また、第1、第2固定部材123、125のボルト131、133は、各貫通孔143、145内の上端と下端に嵌め込まれた筒状のスペーサ147、149、151、153によって、各貫通孔143、145の内周面と接触しないように所定の間隔が保たれている。
Further, the
特に本実施例では、第1固定部材123の上方のナット135と上側のエンドプレート155との間には、絶縁体157が配置されるが、下方のナット137と下側のエンドプレート159との間には、高い導電性を有する銀箔からなる導電性中間材161が配置されている。
In particular, in this embodiment, an
従って、下側のエンドプレート159と下側のナット137とボルト131との導通のみが確保されることになるので、第1固定部材123を、下側のエンドプレート159の例えば負極側のリード部として用いることができる。
Accordingly, since only conduction between the
一方、第2固定部材125の下方のナット141と下側のエンドプレート159との間には、絶縁体163が配置されるが、上方のナット139と上側のエンドプレート155との間には、高い導電性を有する銀箔からなる導電性中間材165が配置されている。
On the other hand, an
従って、上側のエンドプレート155と上側のナット139とボルト133との導通のみが確保されることになるので、第2固定部材125を、上側のエンドプレート155の例えば正極側のリード部として用いることができる。
Therefore, only conduction between the
この様に、本実施例では、各固定部材123、125のナット137、139とエンドプレート155、159の間に導電性中間材161、165を配置して、各固定部材125、125のボルト131、133等を出力用導電部材として用いることができるので、別途ねじ孔等を設ける必要がなく、一層構成を簡易化できるという利点がある。
As described above, in this embodiment, the conductive
次に、実施例3について説明するが、前記実施例2と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、エンドプレートを延長し、その延長部分に板状の出力用導電部材をボルトで固定したものである。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the second embodiment will be omitted.
In this embodiment, the end plate is extended, and a plate-like output conductive member is fixed to the extended portion with a bolt.
図8に要部を示す様に、本実施例の燃料電池171では、第1、第2固定部材173、175等(他の固定部材等は図示略)によって、燃料電池スタック177が一体に固定されている。
As shown in FIG. 8, in the
詳しくは、第1、第2固定部材173、175は、それぞれボルト181、183とナット185、187、189、191からなり、各ボルト181、183は、燃料電池スタック177の貫通孔193、195に貫挿され、各ボルト181、183の両側にナット185〜191が螺合している。
Specifically, the first and second fixing
また、第1、第2固定部材173、175のボルト181、183は、各貫通孔193、195内に嵌め込まれた絶縁性スペーサ197、199、201、203によって、各貫通孔193、195の内周面と接触しないように所定の間隔が保たれている。
In addition, the
更に、第1固定部材173の上方のナット185と上側のエンドプレート205との間には、絶縁体207が配置されて絶縁性が確保されているが、下方のナット187と下側のエンドプレート209とは直接に接触している。
Further, an
一方、第2固定部材175の下のナット191と下側のエンドプレート209との間には、絶縁体211が配置されて絶縁性が確保されているが、上方のナット189と上側のエンドプレート205とは、直接に接触して導電性が確保されている。
On the other hand, the
これにより、両エンドプレート205、209が、各固定部材173、175によって短絡しないように構成されている。なお、各ナット187、189は、導通のために利用されないので、絶縁板を介して固定してもよい。
Thereby, both
特に本実施例では、スタック側の出力端子として用いられる両エンドプレート205、209の一端側(同図右側)は、燃料電池スタック177から張り出するように外側に伸びている。
In particular, in this embodiment, one end side (the right side of the figure) of both
そして、上側のエンドプレート205の延長部分213の表面には、銀箔からなる導電性中間材215を介して、板状のニッケルからなる出力用導電部材217が積層され、その延長部分213と出力用導電部材217とは、それらを貫通する貫通孔219に貫挿されたボルト221とそれに螺合するナット223により、締め付けられて結合している。
An output
同様に、下側のエンドプレート209の延長部分225の表面には、銀箔からなる導電性中間材227を介して、同様な出力用導電部材229が積層され、それらは貫通孔231に貫挿されたボルト233とナット235により、締め付けられて結合している。
Similarly, on the surface of the
本実施例でも、前記実施例2等と同様な効果を奏する。
(実験例)
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例1〜3について説明する。
Also in this embodiment, the same effects as in the second embodiment are obtained.
(Experimental example)
Next, Experimental Examples 1 to 3 performed for confirming the effects of the present invention will be described.
a)実験例1
本実験例では、下記表1に示す様に、実験に用いる本発明の範囲の試料1〜7として、前記実施例1又は実施例3と同様な構成の燃料電池を製造した。また、本発明の範囲外の比較例として、試料8の燃料電池を製造した。なお、ここでは、エンドプレートの材質をSUS430とし、出力用導電部材の材質をニッケルとした。
a) Experimental Example 1
In this experimental example, as shown in Table 1 below, fuel cells having the same configuration as in Example 1 or Example 3 were manufactured as Samples 1 to 7 within the scope of the present invention used in the experiment. Further, as a comparative example outside the scope of the present invention, a fuel cell of Sample 8 was manufactured. Here, the material of the end plate is SUS430, and the material of the output conductive member is nickel.
そして、各試料の燃料電池を、800℃、1000時間稼働させて耐久試験を行い、耐久前と耐久後において、一対の出力用導電部材間の抵抗値の変化を調べた。その結果(耐久後における抵抗値の増加)を、下記表2に記す。 Each sample fuel cell was operated at 800 ° C. for 1000 hours to perform a durability test, and the change in resistance value between the pair of output conductive members was examined before and after the durability test. The results (increase in resistance after endurance) are shown in Table 2 below.
b)実験例2
本実験例では、前記実験例1と同様にして、本発明の範囲の試料9〜15(試料1〜7と同様な構成)の燃料電池と、比較例の範囲の試料16(試料8と同様な構成)を製造した。ただし、ここでは、エンドプレートと出力用導電部材の材質を共にSUS430とした(それ以外は、実験例1と同様)。
b) Experimental example 2
In this experimental example, in the same manner as in Experimental Example 1, the fuel cells of
そして、前記実験例1と同様にして耐久試験を行い、同様に抵抗値の変化を調べた。その結果を、下記表3に記す。 Then, an endurance test was performed in the same manner as in Experimental Example 1, and the change in the resistance value was similarly examined. The results are shown in Table 3 below.
また、前記表2と表3か明らかな様に、出力用導電部材の材質として、ニッケルを用いた方が、抵抗値の増加が少なく好ましいことが分かる。
c)実験例3
この実験例3では、絶縁性スペーサの効果について調べた。
Further, as is apparent from Tables 2 and 3, it can be seen that it is preferable to use nickel as the material of the output conductive member since the increase in resistance value is small.
c) Experimental example 3
In Experimental Example 3, the effect of the insulating spacer was examined.
具体的には、試料17として、実施例2の構造の燃料電池を5個製造した。詳しくは、固定部材であるボルトの直径をφ12mm、スタックの貫通孔の内径をφ18mm、絶縁性スペーサの外径をφ18mm、内径φ12mm、厚み1mmとした燃料電池を作製した。
Specifically, five fuel cells having the structure of Example 2 were manufactured as
また、試料18として、試料17と同様な構成であるが絶縁性スペーサのみを除いた燃料電池を5個作製した。
そして、前記実験例1と同様にして耐久試験を行い後に、電気的ショートの発生状況を調べた。
Further, as the sample 18, five fuel cells having the same configuration as that of the
Then, after performing an endurance test in the same manner as in Experimental Example 1, the occurrence of an electrical short was examined.
その結果、絶縁性スペーサを用いたものは、ショートの発生率は0/5であったが、絶縁性スペーサを用いなかったものは、ショートの発生率は2/5であった。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
As a result, the short-circuit occurrence rate was 0/5 when the insulating spacer was used, but the short-circuit occurrence rate was 2/5 when the insulating spacer was not used.
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
1、121、171…固体酸化物形燃料電池モジュール
3…固体酸化物形燃料電池セル
5、129、177…固体酸化物形燃料電池スタック
7、9、155、159、205、209…エンドプレート
29…燃料極
31…固体電解質体
35…空気極
73、75、147、149、151、153、197、199、201、203…絶縁性スペーサ
77、79、123、125、217、229…出力用導電部材
85、161、165、215、227…導電性中間材
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記固体酸化物形燃料電池スタックに、その出力端子であるスタック側出力端子部を備えた固体酸化物形燃料電池において、
前記スタック側出力端子部に、前記固体酸化物形燃料電池スタックから外部に出力を取り出す出力用導電部材が接続されるとともに、
前記スタック側出力端子部と前記出力用導電部材との接続部分には、銀又は銀を含む合金からなる導電性中間材が介在し、
且つ、前記導電性中間材は、銀又は銀を含む合金からなる箔であるとともに、前記銀を含む合金が、パラジウム、銅、チタンのうち少なくとも1種を含むものであり、
更に、前記スタック側出力端子部と前記出力用導電部材とが、前記導電性中間材を介して、ねじの螺合により結合された構成を有し、
前記スタック側出力端子部の接続部分が雌ねじで、前記出力用導電部材の接続部分が雄ねじであるとともに、前記雄ねじと前記雌ねじとの両表面に密着するように、前記導電性中間材が配置されたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel having a solid electrolyte body, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte body and in contact with a fuel gas, and an air electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body and in contact with an oxidant gas In addition to a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of battery cells are stacked,
In the solid oxide fuel cell stack, the solid oxide fuel cell provided with a stack side output terminal portion that is an output terminal of the stack,
An output conductive member for extracting output from the solid oxide fuel cell stack to the outside is connected to the stack side output terminal portion, and
In the connection portion between the stack side output terminal portion and the output conductive member, a conductive intermediate material made of silver or an alloy containing silver is interposed ,
And the conductive intermediate material is a foil made of silver or an alloy containing silver, and the alloy containing silver contains at least one of palladium, copper, and titanium,
Further, the stack side output terminal portion and the output conductive member are coupled by screwing through the conductive intermediate material,
The connection portion of the stack side output terminal portion is a female screw, the connection portion of the conductive member for output is a male screw, and the conductive intermediate material is disposed so as to be in close contact with both surfaces of the male screw and the female screw. A solid oxide fuel cell.
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